ความก้าวหน้าครั้งสำคัญด้านความปลอดภัยของอาหาร: เฉา จาง ซีอีโอของ KINGPO ให้คำแนะนำนักศึกษาปริญญาโทในการตีพิมพ์บทความ SCI Q2 เกี่ยวกับการตรวจหาสารกำจัดศัตรูพืชในชาอย่างรวดเร็ว

ตงก่วน จีน – 10 25 น. 2024 – ในความก้าวหน้าครั้งสำคัญของเทคโนโลยีความปลอดภัยด้านอาหาร เฉา จาง (หรือที่รู้จักกันในชื่อ บรูซ จาง) ซีอีโอของบริษัท คิงโป และอาจารย์ที่ปรึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่คณะวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์และระบบอัจฉริยะ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีตงกวน ได้นำทีมวิจัยของเขาตีพิมพ์บทความวิจัยที่สร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญในวารสารฉบับหนึ่ง วารสารองค์ประกอบอาหารและการวิเคราะห์ (SCI Q2, ค่าสัมประสิทธิ์ผลกระทบ ~3.8) งานวิจัยเรื่อง “การตรวจจับสารตกค้างของยาฆ่าแมลงในน้ำชาจริงอย่างรวดเร็วและแม่นยำด้วยหัววัด SERS ใยแก้วนำแสง” แสดงให้เห็นถึงวิธีการใหม่ในการตรวจจับสารตกค้างของยาฆ่าแมลงในน้ำชาโดยตรงโดยไม่ต้องเตรียมตัวอย่างที่ซับซ้อน งานนี้เน้นย้ำถึงความเชี่ยวชาญของจางในด้านอิเล็กโทรออปติกส์และความมุ่งมั่นของเขาในการให้คำแนะนำแก่คนรุ่นใหม่ทางวิทยาศาสตร์ โดยผสมผสานความเข้มงวดทางวิชาการเข้ากับการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติในการควบคุมคุณภาพอาหาร

ในฐานะผู้นำที่มีประสบการณ์ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์และระบบอัจฉริยะ เฉา จาง ได้ดูแลนักศึกษาปริญญาโทจำนวนมาก และส่งเสริมงานวิจัยแบบสหวิทยาการที่ตอบโจทย์ความท้าทายในโลกแห่งความเป็นจริง ในโครงการนี้ จางได้ร่วมงานกับผู้เขียนหลัก เฉิงปิน ไฉ และผู้ร่วมเขียน ได้แก่ เฟย โจว, ราง ชู, ไห่ เย่, หลิงหลิง ซุย และเย่ หลิว ซึ่งทั้งหมดสังกัดมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีตงกวนและสถาบันที่เกี่ยวข้อง งานวิจัยนี้ได้รับการยอมรับเมื่อวันที่ 8 กรกฎาคม 2024 และเผยแพร่ทางออนไลน์ในเวลาต่อมาไม่นาน ซึ่งเน้นย้ำบทบาทของมหาวิทยาลัยในการพัฒนาเทคโนโลยีวิศวกรรมโครงสร้างพื้นฐานในเมืองผ่านห้องปฏิบัติการสำคัญระดับมณฑลกวางตุ้ง

นวัตกรรมหลักและวิธีการ

งานวิจัยนี้กล่าวถึงประเด็นสำคัญในการบริโภคชา นั่นคือ การพบสารตกค้างของยาฆ่าแมลงในน้ำชา ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพ แม้ว่าชาจะมีคุณค่าทางโภชนาการสูง เช่น โพลีฟีนอลและคาเฟอีนก็ตาม วิธีการตรวจวัดแบบดั้งเดิม เช่น แก๊สโครมาโทกราฟี-แมสสเปกโทรเมตรี (GC-MS) หรือโครมาโทกราฟีของเหลวประสิทธิภาพสูง (HPLC) ต้องใช้เวลาในการเตรียมตัวอย่างและต้องอาศัยผู้เชี่ยวชาญ ทำให้การนำไปใช้ในการทดสอบอย่างรวดเร็วในสถานที่นั้นมีข้อจำกัด

ทีมของจางได้นำเสนอวิธีการตรวจจับแบบ in-situ รูปแบบใหม่ โดยใช้สเปกโทรสโกปีการกระเจิงรามานแบบเสริมพื้นผิว (SERS) ร่วมกับโพรบใยแก้วนำแสง จุดเด่นที่สำคัญ ได้แก่:

การผลิตหัววัด:

นักวิจัยได้พัฒนาโพรบ SERS แบบไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงที่ขึ้นรูปด้วยคลัสเตอร์นาโนแท่งทองคำ (AuNR) โดยใช้วิธีการประกอบตัวเองด้วยการระเหยที่เหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ (LIESAM) กระบวนการอัตโนมัตินี้เกี่ยวข้องกับการจุ่มและดึงไฟเบอร์ซิลิกาแบบมัลติโหมดผ่านคอลลอยด์ AuNR ภายใต้การเหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ โดยปรับให้เหมาะสมที่ 17 รอบเพื่อให้ได้จุดฮอตสปอต SERS สูงสุด กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ยืนยันการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของคลัสเตอร์ AuNR ซึ่งให้จุดเพิ่มประสิทธิภาพจำนวนมากสำหรับสัญญาณรามาน (รูปที่ 2c แสดงภาพ SEM ทั่วไปของหน้าไฟเบอร์ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมซึ่งมีคลัสเตอร์ AuNR บรรจุอย่างหนาแน่น)

กระบวนการตรวจจับ ณ จุดใช้งาน:

เพียงแค่จุ่มหัววัดลงในตัวอย่างน้ำชาปนเปื้อนที่เตรียมจากการแช่ใบชาเขียวที่ฉีดพ่นยาฆ่าแมลง ไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนการสกัดหรือการทำให้เข้มข้น ทำให้สามารถวัดแบบ “จุ่ม-แห้ง-จุ่ม” ได้ด้วยเครื่องสเปกโทรเมตร Raman แบบพกพา (การกระตุ้นที่ 785 นาโนเมตร เวลาการรวมสัญญาณ 500 มิลลิวินาที) (ภาพที่ 1a แสดงแผนผังการเตรียมน้ำชาปนเปื้อน ภาพที่ 1b แสดงการจัดเตรียมการทดลองสำหรับการตรวจจับ SERS)

สารกำจัดศัตรูพืชเป้าหมาย:

วิธีการนี้ได้รับการทดสอบกับไทแรม (สารฆ่าเชื้อรา) และพาราควอต (สารกำจัดวัชพืช) ซึ่งเป็นสารที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตชา สเปกตรัม SERS เผยให้เห็นยอดพีคที่เป็นเอกลักษณ์ ทำให้สามารถระบุสารได้อย่างเลือกสรรท่ามกลางสารอาหารที่ซับซ้อนในน้ำชา เช่น คาเฟอีนและคาเทชิน (รูปที่ 3a เปรียบเทียบสเปกตรัม SERS ของน้ำชาที่สะอาดและน้ำชาที่ปนเปื้อนพาราควอต โดยเน้นยอดพีคที่ 837, 1191, 1292, 1534 และ 1647 cm⁻¹ สำหรับพาราควอต; รูปที่ 3b แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการทำซ้ำของสเปกตรัมด้วยค่า RSD 6.1% ที่ 1647 cm⁻¹)

เทคนิคนี้ใช้ประโยชน์จากการรวบรวมสัญญาณแบบบูรณาการของหัววัดไฟเบอร์ ลดการรบกวนจากส่วนประกอบของชาให้น้อยที่สุด ในขณะเดียวกันก็ขยายสัญญาณของสารกำจัดศัตรูพืชผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพทางแม่เหล็กไฟฟ้าจากจุดฮอตสปอตของอนุภาคนาโนทองคำ (AuNR)

ผลลัพธ์และประสิทธิภาพที่สำคัญ

การศึกษาครั้งนี้ประสบความสำเร็จอย่างน่าประทับใจในด้านความไวและความน่าเชื่อถือ:

ขีดจำกัดการตรวจจับ (DL):

ความเข้มข้นต่ำสุดที่สามารถตรวจวัดได้คือ 1.0 μg/kg (0.001 mg/kg) สำหรับไทแรม และ 10.0 μg/kg (0.01 mg/kg) สำหรับพาราควอต ซึ่งสูงกว่าวิธีการ SERS ก่อนหน้านี้หลายวิธีที่ใช้ใบชาหรือผงชาที่สกัดแล้ว ขีดจำกัดเหล่านี้ถูกกำหนดขึ้นจากความเข้มข้นต่ำสุดที่ยังคงสามารถแยกแยะพีคที่มีลักษณะเฉพาะได้ (เช่น 1369 cm⁻¹ สำหรับไทแรม และ 1647 cm⁻¹ สำหรับพาราควอต) (รูปที่ 4a และ 4c แสดงสเปกตรัม SERS ที่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของพาราควอตและไทแรม รูปที่ 4b และ 4d แสดงเส้นโค้งการสอบเทียบแบบลอการิทึมคู่)

การวิเคราะห์เชิงปริมาณ:

กราฟสอบเทียบแบบลอการิทึมคู่แสดงความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงที่แข็งแกร่ง (R² = 0.990 สำหรับพาราควอต และ 0.982 สำหรับไทแรม) ในช่วงความเข้มข้น 0.01–0.2 มก./กก. สำหรับพาราควอต และ 0.001–0.1 มก./กก. สำหรับไทแรม ทำให้สามารถวัดปริมาณได้อย่างแม่นยำ (ตารางที่ 1 เปรียบเทียบกับงานวิจัยในอดีต โดยสังเกตค่าขีดจำกัดการตรวจวัดที่ต่ำกว่าและเวลาการรวมข้อมูลที่สั้นกว่าเมื่อเทียบกับงานวิจัย เช่น Chen et al., 2020 และ He et al., 2021)

ความสามารถในการทำซ้ำและความแม่นยำ:

ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานสัมพัทธ์ (RSD) ของความเข้มสูงสุดต่ำกว่า 10% ในการวัดหลายครั้ง แสดงให้เห็นถึงความสม่ำเสมอสูง การทดลองอัตราการฟื้นตัวของตัวอย่างที่เติมสาร (พาราควอตที่ 0.15 และ 0.08 มก./กก.; ไทแรมที่ 0.08 และ 0.03 มก./กก.) ให้ความแม่นยำ 86.7–110.0% โดยมี RSD ต่ำกว่า 10% ซึ่งยืนยันความแม่นยำของวิธีการในน้ำชาจริง อัตราการฟื้นตัวจำเพาะ ได้แก่ 91.3–108.7% สำหรับพาราควอตที่ 0.15 มก./กก. (RSD 7.1%) และ 86.7–110.0% สำหรับไทแรมที่ 0.03 มก./กก. (RSD 9.8%) (รูปที่ 5a–d แสดงสเปกตรัม SERS จากการทดสอบการฟื้นตัวสำหรับแต่ละความเข้มข้นที่เติมสาร ตารางที่ 2 แสดงรายละเอียดความเข้มข้นที่คาดการณ์ อัตราการฟื้นตัว และ RSD)

การตรวจจับพร้อมกัน:

วิธีการนี้สามารถตรวจจับสารตกค้างของไทแรมและพาราควอตแบบผสมได้ที่ความเข้มข้น 0.1 มก./กก. แต่ละชนิด โดยมีพีคที่ลักษณะเฉพาะปรากฏให้เห็น แม้ว่าจะมีการแข่งขันในการดูดซับก็ตาม แม้ว่าความเข้มจะลดลง (เช่น พีค 1647 cm⁻¹ สำหรับพาราควอตลดลงจาก 4355 เหลือ 3249 หน่วย) ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีจุดร้อนเพียงพอสำหรับการวิเคราะห์สารตกค้างหลายชนิดในของเหลวที่ซับซ้อน (รูปที่ 6 เปรียบเทียบสเปกตรัม SERS ของสารตกค้างแบบผสม (สีดำ) กับพาราควอต (สีแดง) และไทแรม (สีน้ำเงิน) เพียงอย่างเดียว ตารางที่ 3 สรุปประสิทธิภาพ รวมถึงค่า RSD 6.1% สำหรับพาราควอต ช่วงเชิงเส้น และอัตราการฟื้นตัว)

การเปรียบเทียบกับงานวิจัยที่ผ่านมาชี้ให้เห็นถึงความเหนือกว่า ได้แก่ ระดับการตรวจจับที่ต่ำกว่า เวลาในการตรวจจับที่สั้นกว่า และไม่ต้องผ่านกระบวนการเตรียมการก่อนตรวจจับ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานภาคสนาม

บทสรุปและผลกระทบในวงกว้าง

นักวิจัยสรุปว่า วิธีการใช้หัววัด SERS แบบไฟเบอร์นี้ เป็นวิธีที่รวดเร็ว ไม่ต้องใช้สารบ่งชี้ และมีความไวสูงในการตรวจจับสารตกค้างของยาฆ่าแมลงในอาหารเหลวที่ซับซ้อน เช่น ซุปชา การลดขั้นตอนการสกัดตัวอย่างช่วยลดเวลาในการวิเคราะห์และเพิ่มความน่าเชื่อถือ ซึ่งอาจขยายไปสู่เครื่องดื่มอื่นๆ หรือการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อมได้ งานวิจัยนี้เน้นย้ำถึงความสามารถในการใช้งานกับสารวิเคราะห์ต่างๆ และความเป็นไปได้ในการตรวจจับสารตกค้างหลายชนิดพร้อมกัน ซึ่งเป็นการปูทางไปสู่เครื่องมือที่ใช้งานได้จริงในการบังคับใช้กฎหมายด้านความปลอดภัยของอาหาร ทิศทางในอนาคต ได้แก่ การผสมผสานปัญญาประดิษฐ์เข้ากับ... SERS สำหรับการระบุสารตกค้างหลายชนิดในระบบที่ซับซ้อนได้ดียิ่งขึ้นs.

ภายใต้การดูแลของเฉา จาง ผลงานตีพิมพ์นี้ไม่เพียงแต่พัฒนาเทคโนโลยี SERS เท่านั้น แต่ยังช่วยให้นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาได้รับประสบการณ์ตรงในการวิจัยเชิงนวัตกรรม ในฐานะซีอีโอของ KINGPO จางทำหน้าที่เชื่อมโยงระหว่างสถาบันการศึกษาและอุตสาหกรรม โดยนำความก้าวหน้าเหล่านี้ไปประยุกต์ใช้ในการพัฒนาอุปกรณ์ตรวจจับอัจฉริยะ ความสำเร็จนี้สอดคล้องกับมาตรฐานความปลอดภัยด้านอาหารระดับโลก เช่น มาตรฐานขององค์การอนามัยโลก และแสดงให้เห็นถึงการมีส่วนร่วมที่น่าเชื่อถือของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีตงกวนในการป้องกันภัยพิบัติอัจฉริยะและวิศวกรรมเมือง

สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม สามารถดูเอกสารฉบับเต็มได้ที่ DOI: 10.1016/j.jfca.2024.106520 การกำกับดูแลอย่างต่อเนื่องของ Zhang สัญญาว่าจะนำไปสู่นวัตกรรมเพิ่มเติมในด้านการตรวจวัดด้วยแสงและอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งจะช่วยเสริมสร้างความเชื่อมั่นในโซลูชันด้านความปลอดภัยของอาหารที่ขับเคลื่อนด้วยวิทยาศาสตร์

การตรวจจับสารตกค้างของยาฆ่าแมลงในน้ำชาจริงอย่างรวดเร็วและแม่นยำด้วยหัววัด SERS แบบใยแก้วนำแสง